5.1: Análisis Dinámico de Cromatografía de Gases
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La cromatografía de gases (GC) es una cromatografía de uso muy común en química analítica para separar y analizar compuestos que son gaseosos o pueden vaporizarse sin descomposición. Por su simplicidad, sensibilidad y efectividad en la separación de componentes de mezclas, la cromatografía de gases es una herramienta importante en química. Es ampliamente utilizado para el análisis cuantitativo y cualitativo de mezclas, para la purificación de compuestos y para la determinación de constantes termoquímicas tales como calores de solución y vaporización, presión de vapor y coeficientes de actividad. Los compuestos se separan debido a diferencias en su coeficiente de partición entre la fase estacionaria y la fase gaseosa móvil en la columna.
Componentes físicos de un sistema GC
Un cromatógrafo de gases (Figura\(\PageIndex{1}\)) consiste en un sistema de gas portador, un sistema de muestreo, un sistema de separación, un sistema de detección y un sistema de registro de datos.
Una separación ideal se juzga por la resolución, eficiencia y simetría de los picos deseados, como se ilustra por
El sistema de gas portador consiste en fuentes de gas portador, purificación y control de flujo de gas. El gas portador debe ser químicamente inerte. Los gases comúnmente utilizados incluyen nitrógeno, helio, argón y dióxido de carbono. La elección del gas portador a menudo depende del tipo de detector utilizado. Un tamiz molecular a menudo está contenido en el sistema de gas portador para eliminar el agua y otras impurezas.
Sistema de muestreo automático
Un sistema de muestreo automático consiste en muestreador automático y cámara de vaporización. La muestra a analizar se carga en el puerto de inyección a través de una jeringa hipodérmica y se volatilizará a medida que se caliente el puerto de inyección. Normalmente se inyectan en la columna muestras de un microlitro o menos. Estos volúmenes se pueden reducir aún más mediante el uso de lo que se llama un sistema de inyección dividida en el que una fracción controlada de la muestra inyectada es arrastrada por una corriente de gas antes de ingresar a la columna.
Sistema de Separación
El sistema de separación consiste en columnas y horno de control de temperatura. La columna es donde se separan los componentes de la muestra, y es la parte crucial de un sistema de GC. La columna es esencialmente un tubo que contiene diferentes fases estacionarias que tienen diferentes coeficientes de partición con analitos, y determinan la calidad de separación. Existen dos tipos generales de columna: empaquetada (Figura\(\PageIndex{2}\)) y capilar también conocida como tubular abierta (Figura\(\PageIndex{3}\)).
- Las columnas empaquetadas contienen un material de soporte sólido inerte finamente dividido recubierto con fase estacionaria líquida. La mayoría de las columnas empaquetadas son de 1.5 a 10 m de largo y tienen un diámetro interno de 2 a 4 mm.
- Las columnas capilares tienen un diámetro interno de unas décimas de milímetro. Pueden ser uno de dos tipos; tubular abierto con revestimiento de pared (WCOT) o tubular abierto recubierto de soporte (SCOT). Las columnas revestidas de pared consisten en un tubo capilar cuyas paredes están recubiertas con fase estacionaria líquida. En columnas recubiertas de soporte, la pared interna del capilar está revestida con una fina capa de material de soporte como tierra de diatomeas, sobre la cual se ha adsorbido la fase estacionaria. Las columnas SCOT son generalmente menos eficientes que las columnas WCOT. Ambos tipos de columna capilar son más eficientes que las columnas empaquetadas.
Detectores
El propósito de un detector es monitorear el gas portador a medida que emerge de la columna y generar una señal en respuesta a la variación en su composición debido a los componentes eluidos. Al transmitir la señal física en señal eléctrica grabable, es otra parte crucial de GC. Los requisitos de un detector para GC se enumeran a continuación.
Los detectores para GC deben responder rápidamente a la concentración mínima de solutos a medida que salen de la columna, es decir, se requiere que tengan una respuesta rápida y una alta sensibilidad. Otras propiedades deseables de un detector son: respuesta lineal, buena estabilidad, facilidad de operación y respuesta uniforme a una amplia variedad de especies químicas o, alternativamente, respuesta predecible y selectiva a una o más clases de solutos.
Dispositivos de grabación
El sistema GC originalmente usaba lectores de gráficos de papel, pero el sistema moderno generalmente usa una computadora en línea, que puede rastrear y registrar las señales eléctricas de los picos separados. Los datos pueden ser analizados posteriormente por software para proporcionar la información de la mezcla de gases.
¿Cómo funciona GC?
Terminología de separación
Una separación ideal se juzga por resolución, eficiencia y simetría de los picos deseados, como se ilustra en la Figura\(\PageIndex{4}\).
Resolución (R)
La resolución se puede expresar simplemente como la distancia en la traza de salida entre dos picos. La resolución más alta posible es la meta a la hora de desarrollar un método de separación. La resolución se define por el valor R,\ ref {1}, que puede expresarse matemáticamente,\ ref {2}, donde k es capacidad, α es selectividad y N es el número de placas teóricas. Un valor R de 1.5 se define como el mínimo requerido para la separación de la línea base, es decir, los dos picos adyacentes están separados por la línea base. La separación para diferentes valores de R se ilustra en la Figura\(\PageIndex{5}\).
\[ R \ =\ capacity \times selectivity \times efficiency \label{1} \]
\[ R\ =\ [k/(1+k)](\alpha -\ 1/\alpha)(N^{0.5}/4) \label{2} \]
Capacidad (k')
La capacidad (k') se conoce como factor de retención. Es una medida de retención por la fase estacionaria. Se calcula a partir de\ ref {3}, donde t r = tiempo de retención del analito (sustancia a analizar), y t m = tiempo de retención de un compuesto no retenido.
\[ k'\ =\ (t_{r}-t_{m})/t_{m} \label{3} \]
Selectividad
La selectividad se relaciona con α, el factor de separación (Figura\(\PageIndex{6}\). El valor de α debe ser lo suficientemente grande como para dar resolución de línea base, pero minimizado para evitar el desperdicio.
Eficiencia
Los picos estrechos tienen alta eficiencia (Figura\(\PageIndex{7}\)), y son deseados. Las unidades de eficiencia son “placas teóricas” (N) y a menudo se utilizan para describir el rendimiento de la columna. “Placas” es el término común actual para N, se define como una función del tiempo de retención (t r) y el ancho de pico completo a la mitad del máximo (W b1/2), EQ.
\[ N \ =\ 5.545(t_{r}/W_{b1/2})^{2} \label{4} \]
Simetría de pico
La simetría de un pico se juzga por los valores de dos anchuras de medio pico, a y b (Figura\(\PageIndex{8}\)). Cuando a = b, un pico se llama simétrico, lo que se desea. Los picos asimétricos a menudo se describen como “cola” o “frontal”.
Una separación ideal
Las atribuciones de una separación ideal son las siguientes:
- Deben cumplir con la resolución basal de los compuestos de interés.
- Cada pico deseado es estrecho y simétrico.
- No ha perdido tiempo muerto entre picos.
- Toma una cantidad mínima de tiempo para correr.
- El resultado es reproducible.
En su forma más simple, la cromatografía de gases es un proceso mediante el cual se vaporiza una muestra y se inyecta en la columna cromatográfica, donde se separa en sus múltiples componentes. La elución es producida por el flujo de gas portador (Figura\(\PageIndex{9}\)).
El gas portador sirve como la fase móvil que eluye los componentes de una mezcla de una columna que contiene una fase estacionaria inmovilizada. A diferencia de la mayoría de los otros tipos de cromatografía, la fase móvil no interactúa con las moléculas de los analitos. Los gases portadores, la fase móvil de GC, incluyen helio, hidrógeno y nitrógeno que son químicamente inertes. La fase estacionaria en la cromatografía gas-sólido es un sólido que tiene una gran superficie en la que se produce la adsorción de las especies de analitos (solutos). En la cromatografía gas-líquido, una fase estacionaria es líquida que se inmoviliza sobre la superficie de un soporte sólido por adsorción o por unión química.
La separación cromatográfica de gases se produce por diferencias en las posiciones de equilibrio de adsorción entre los componentes gaseosos de la muestra y las fases estacionarias (Figura\(\PageIndex{9}\)). En GC la relación de distribución (relación de la concentración de analitos en fase estacionaria y móvil) depende de la presión de vapor del componente, las propiedades termodinámicas de la banda de componentes a granel y la afinidad por la fase estacionaria. El equilibrio depende de la temperatura. De ahí la importancia de la selección de la fase estacionaria de la columna y la programación de la temperatura de la columna en la optimización de una separación.
Elección del método
Gas portador y caudal
El helio, el nitrógeno, el argón, el hidrógeno y el aire son típicamente gases portadores utilizados. Cuál se usa generalmente está determinado por el detector que se está utilizando, por ejemplo, una detección de ionización de descarga (DID) requiere helio como gas portador. Sin embargo, al analizar muestras de gas, el portador a veces se selecciona en base a la matriz de la muestra, por ejemplo, al analizar una mezcla en argón, se prefiere un portador de argón, debido a que el argón en la muestra no aparece en el cromatograma. La seguridad y la disponibilidad son otros factores, por ejemplo, el hidrógeno es inflamable y el helio de alta pureza puede ser difícil de obtener en algunas zonas del mundo.
El caudal de gas portador afecta el análisis de la misma manera que lo hace la temperatura. Cuanto mayor sea el caudal, más rápido será el análisis, pero menor será la separación entre analitos. Además, la forma del pico también se verá afectada por el caudal. Cuanto más lenta es la velocidad, más difusión axial y radical es, más amplio y más asimétrico es el pico. Por lo tanto, seleccionar el caudal es el mismo compromiso entre el nivel de separación y la duración del análisis que seleccionar la temperatura de la columna.
Selección de Columna
\(\PageIndex{1}\)La tabla muestra la fase estacionaria de uso común en diversas aplicaciones.
| Fase estacionaria | Nombre comercial común | Temperatura (Celsius) | Aplicaciones Comunes |
| Polidimetil siloxano | OV-1, SE-30 | 350 | Fase no polar de propósito general, hidrocarburos, aromáticos polinucleares, fármacos, esteroides, PCB |
| Poli (fenilmetil-dimetil) siloxano (10% fenil) | OV-3, SE-52 | 350 | Ésteres metílicos de ácidos grasos, alcaloides, fármacos, compuestos halogenados |
| Poli (fenilmetil) siloxano (50% fenil) | OV-17 | 250 | Medicamentos, esteroides, pesticidas, glicoles |
| Poli (trifluoropropil-dimetil) siloxano | OV-210 | 200 | Compuestos aromáticos clorados, nitroaromáticos, bencenos sustituidos con alquilos |
| Polietilenglicol | Carbowax | 250 | Ácidos libres, alcoholes, éteres, aceites esenciales, glicoles |
| Poli (dicianoalildimetil) siloxano | OV-275 | 240 | Ácidos grasos poliinsaturados, ácidos de colofonia, ácidos libres, alcoholes |
Programa de Temperatura y Temperatura de Columna
Para un trabajo preciso, la temperatura de la columna debe controlarse dentro de décimas de grado. La temperatura óptima de la columna depende del punto de ebullición de la muestra. Como regla general, una temperatura ligeramente superior al punto de ebullición promedio de la muestra da como resultado un tiempo de elución de 2 a 30 minutos. Las temperaturas mínimas dan buena resolución, pero aumentan los tiempos de elución. Si una muestra tiene un amplio rango de ebullición, entonces la programación de temperatura puede ser útil. La temperatura de la columna se incrementa (ya sea continuamente o en etapas) a medida que avanza la separación. Otro efecto que puede tener la temperatura es en la forma del pico como lo hace el caudal. Cuanto mayor es la temperatura, más intensa es la difusión, peor es la forma. Por lo tanto, se debe hacer un compromiso entre la bondad de separación y el tiempo de retención, así como la forma del pico.
Selección de detectores
En la cromatografía de gases se utilizan varios detectores. Los más comunes son el detector de ionización de llama (FID) y el detector de conductividad térmica (TCD). Ambos son sensibles a una amplia gama de componentes, y ambos funcionan en un amplio rango de concentraciones. Si bien los TCD son esencialmente universales y pueden usarse para detectar cualquier componente que no sea el gas portador (siempre que sus conductividades térmicas sean diferentes de las del gas portador, a la temperatura del detector), los FID son sensibles principalmente a los hidrocarburos y son más sensibles a ellos que el TCD. Sin embargo, un FID no puede detectar agua. Ambos detectores también son bastante robustos. Dado que el TCD no es destructivo, puede operarse en serie antes de un FID (destructivo), proporcionando así una detección complementaria de los mismos analitos.Para haluros, nitratos, nitrilos, peróxidos, anhidridos y organometálicos, el ECD es una detección muy sensible, que puede detectar hasta 50 fg de esos analitos. Los diferentes tipos de detectores se enumeran a continuación en la Tabla\(\PageIndex{2}\), junto con sus propiedades.
| Detector | Tipo | Gases de Apoyo | Selectividad | Detectabilidad | Rango Dinámico |
| Ionización de llama (FID) | Flujo másico | Flujo másico | La mayoría de los compuestos orgánicos | 100 pg | 10 7 |
| Conductividad térmica (TCD) | Concentración | Referencia | Universal | 1 ng | 10 7 |
| Captura de electrones (FCD) | Concentración | Maquillaje | Halouros, nitratos, nitrilos, peróxidos, anhidridos, organometálicos | 50 fg | 10 5 |
| Nitrógeno-fósforo | Flujo másico | Hidrógeno y aire | Nitrógeno, fósforo | 10 pg | 10 6 |
| Fotométrica de Llama (FPD) | Flujo másico | Hidrógeno y aire posiblemente oxígeno | Azufre, fósforo, estaño, boro, arsénico, germanio, selenio, cromo | 100 pg | 10 3 |
| Fotoionización (PID) | Concentración | Maquillaje | Alifáticos, aromáticos, cetonas, ésteres, aldehídos, aminas, heterocíclicos, organosulfuros, algunos organometálicos | 2 pg | 10 7 |
| Conductividad electrolítica Hall | Flujo másico | Hidrógeno, oxígeno | Halogenuros, nitrógeno, nitrosamina, azufre | - | - |
Análisis del espacio de cabeza usando GC
La mayoría de los productos de consumo y muestras biológicas están compuestos por una amplia variedad de compuestos que difieren en peso molecular, polaridad y volatilidad. Para muestras complejas como estas, el muestreo del espacio de cabeza es el método más rápido y limpio para analizar compuestos orgánicos volátiles. Normalmente se prepara una muestra del espacio de cabeza en un vial que contiene la muestra, el disolvente de dilución, un modificador de matriz y el espacio de cabeza (Figura\(\PageIndex{10}\)). Los componentes volátiles de mezclas de muestras complejas pueden extraerse de componentes de muestra no volátiles y aislarse en el espacio superior o porción de vapor de un vial de muestra. Una alícuota del vapor en el espacio de cabeza se suministra a un sistema de GC para la separación de todos los componentes volátiles.
La fase gaseosa (G en la Figura\(\PageIndex{10}\)) se conoce comúnmente como el espacio superior y se encuentra por encima de la fase de muestra condensada. La fase de muestra (S en la Figura\(\PageIndex{10}\) contiene el compuesto o compuestos de interés y generalmente está en forma de líquido o sólido en combinación con un disolvente de dilución o un modificador de matriz. Una vez que la fase de muestra se introduce en el vial y el vial se sella, los componentes volátiles se difunden en la fase gaseosa hasta que el espacio superior ha alcanzado un estado de equilibrio como se representa por las flechas. Luego se toma la muestra del espacio de cabeza.
Principios básicos del análisis del espacio de cabeza
Coeficiente de partición
Las muestras deben prepararse para maximizar la concentración de los componentes volátiles en el espacio superior y minimizar la contaminación no deseada de otros compuestos en la matriz de la muestra. Para ayudar a determinar la concentración de un analito en el espacio de cabeza, necesitará calcular el coeficiente de partición (K), que se define por\ ref {5}, donde C s es la concentración de analito en fase de muestra y C g es la concentración de analito en fase gaseosa. Los compuestos que tienen valores bajos de K tenderán a dividirse más fácilmente en la fase gaseosa, y tienen respuestas relativamente altas y bajos límites de detección. K se puede bajar cambiando la temperatura a la que se equilibre el vial o cambiando la composición de la matriz de muestra.
\[ K\ =\ C_{s}/C_{g} \label{5} \]
Relación de fase
La relación de fase (β) se define como el volumen relativo del espacio de cabeza comparado con el volumen de la muestra en el vial de muestra,\ ref {6}, donde V s = volumen de fase de muestra y V g = volumen de fase gaseosa. Valores más bajos para β (es decir, mayor tamaño de muestra) darán mayores respuestas para compuestos volátiles. Sin embargo, la disminución del valor β no siempre producirá el aumento de la respuesta necesaria para mejorar la sensibilidad. Cuando β se disminuye al aumentar el tamaño de la muestra, los compuestos con valores altos de K se dividen menos en el espacio superior en comparación con los compuestos con valores bajos de K, y producen cambios correspondientemente menores en C g. Las muestras que contienen compuestos con valores K altos deben optimizarse para proporcionar el valor K más bajo antes de que se realicen cambios en la relación de fase.
\[ \beta \ =\ V_{g}/V_{s} \label{6} \]